(57)【要約】【課題】  安価で高精度なジャイロ装置を提供すること。【解決手段】弾性線５の先端に磁石６を固定し、他方端を挟持体で挟持して２次元振動子１０を作製する。又、磁石６の周辺にｘ軸方向に磁界を発生させる駆動用チップコイル７を設け、ｙ軸方向に磁石６のｙ軸方向への変位を検出する検出用チップコイル８を設ける。そして駆動用チップコイル８から交番磁界を発生させて、２次元振動子１０をｘ軸方向にのみ直線振動させる。この状態において、ｚ軸中心の回転（角速度ω）が加わると、振動方向の直角方向に角速度ωに比例したコリオリ力が作用し、その結果直線振動は楕円振動となる。この時、駆動信号に対する検出信号の位相変化を検出用チップコイル８で検出する。特に、その位相変化をクォーツクロックで計数する。２次元振動子１０の共振周波数を百数十Ｈｚ、クォーツクロック周波数を数十ＭＨｚとすれば、角速度ωを高精度、高感度に検出することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転時に振動物体に作用するコリオリ力に基づいて、角速度を検出するジャイロ装置であって、
弾性線と、該弾性線先端部に固定された磁石と、前記弾性線後端部を固定するホルダーとからなる２次元振動子と、
前記磁石を所定方向に微小振動させる磁界発生手段と、
前記コリオリ力による前記磁石の軌道変化を検出する軌道変化検出手段と
を備え、
前記軌道変化検出手段の検出する軌道変化関連値により、前記角速度を算出することを特徴とするジャイロ装置。
【請求項２】
前記弾性線は、恒弾性係数を有する弾性線、又は低熱膨張係数を有する弾性線であることを特徴とする請求項１に記載のジャイロ装置。
【請求項３】
前記２次元振動子の前記後端部は、前記ホルダーによって前記弾性線の異なる２軸方向の共振周波数が異なるように一方向から所定応力で挟持され、前記ホルダーによる挟持方向は前記磁界発生手段による磁界発生方向、又は前記軌道変化検出手段の検出方向と一致する事を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のジャイロ装置。
【請求項４】
前記ホルダーはホルダー受けとホルダー押さえとで構成され、前記弾性線後端部は該ホルダー受け上面に所定深さに形成された溝に前記弾性線の側面が該溝から側出するように配設され、前記所定応力は前記ホルダー受けと前記ホルダー押さえによって押圧挟持されることによって決定されることを特徴とする請求項３に記載のジャイロ装置。
【請求項５】
前記磁界発生手段は、微小フェライトあるいは微小電磁軟鉄をコアとし該コアに導線が巻かれたチップコイルとからなることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のジャイロ装置。
【請求項６】
前記軌道変化検出手段は、回転による前記磁石の楕円振動の短軸方向の変位を光学的に検出する光学的変位検出手段、又は磁気的に検出する磁気的変位検出手段であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のジャイロ装置。
【請求項７】
前記軌道変化関連値は、前記軌道変化検出手段による検出信号の振幅変化であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載のジャイロ装置。
【請求項８】
前記軌道変化関連値は、前記軌道変化検出手段による検出信号の位相変化であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載のジャイロ装置。
【請求項９】
前記位相変化は、前記磁界発生手段を駆動する駆動信号と、前記軌道変化検出手段によって検出される前記検出信号との位相差を、所定時間毎に高周波クロックで計数することで得られることを特徴とする請求項８に記載のジャイロ装置。
【請求項１０】
前記２次元振動子と、前記磁界発生手段と、前記軌道変化検出手段は、外部磁場を回避するため防磁筐体内に設置されることを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載のジャイロ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転時に振動物体に作用するコリオリ力に基づいて、その角速度を検出するジャイロ装置に関する。特に、弾性線上部に磁石を設け弾性線下部を固定して２次元振動子を形成し、回転に伴う２次元振動子の軌道変化からその角速度を検出するジャイロ装置に関する。本発明は、人工衛星、航空機、船舶、自動車等の移動物体の姿勢の回転を検出するジャイロ装置に適用することができる。
【背景技術】
【０００２】
従来より角速度を検出するジャイロ装置として、例えば特開平２−２２３８１７号公報に開示の振動ジャイロ装置がよく知られている。この振動ジャイロ装置を図８、図９に示す。図８はジャイロ構成を示す斜視図であり、図９はジャイロ装置の駆動方法と検出方法を説明する説明図である。図８に示すように従来の１例のジャイロ装置は、エリンバ合金などの恒弾性金属を略正三角柱状に加工して振動体１００を形成し、その振動体１００のノード点付近の稜線部分を支持部材１０７で支持する構造となっている。又、図９に示すようにその振動体１００の各側面には、両面に電極を有した圧電素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃがそれぞれ接着剤等で固着されている。圧電素子１０２ａと圧電素子１０２ｂは振動体１００を駆動する駆動用及び信号検出用であり、圧電素子１０２ｃは下記に示す発振回路１０４の帰還用である。
【０００３】
上記構成において、発振回路１０４から駆動信号を出力すると、振動体１００は圧電素子１０２ｃの形成面を長手方向に折り曲げるように屈曲振動する。この状態で、振動体１００の長手方向の軸を中心として回転が加わると、コリオリ力によって振動体１００の振動方向が変化し、圧電素子１０２ａ、１０２ｂ間に変化に応じた出力差が生じる。この振動ジャイロ装置は、その出力差を測定することによって振動体１００に加わったコリオリ力、即ちそれに比例した角速度を検知する構成である。
【０００４】
他に、例えば特許公開平１０−１７０２７９号公報に開示の振動ジャイロ、特許公開２０００−１９９７１３号公報に開示の振動ジャイロがある。これは、金属製音叉に圧電素子を接着したものである。これらの従来例は、圧電素子で金属本体に振動を与え、回転によるコリオリ力によって発生した金属の歪みを圧電素子で検出する構成である。又、他に例えば特許公開２０００−０６５５７９号公報に開示の音叉型圧電ジャイロセンサ、及び特許公開平１１−２８１３６９号公報に開示の音叉型圧電ジャイロがある。これらは、圧電素子そのものを音叉形状に加工して振動体とし、コリオリ力に伴う歪みをその圧電素子に現れる電圧で検出する構造となっている。
【０００５】
更に、最近ではシリコンマイクロマシニングを用いて作製したジャイロセンサがある。例えば、特許公開平１１−１４２１５７号公報に開示のジャイロセンサがある。これは、半導体異方性エッチング技術を用いてシリコン基板を掘り下げ中空構造とし、中央部のマス部を両端の梁部で支えた構造である。そのマス部下部には電極が形成され、マス部とその電極とでコンデンサーが形成されている。又、梁部には圧電素子（薄膜）が形成されている。そして、所定周波数の電圧を印加し静電力で面方向（ｚ軸方向）に共振させ、回転に伴うコリオリ力を梁部に形成された圧電素子で検出する構成である。尚、上記コリオリ力によるマス部の変位は、マス部側面に対向して形成されたコンデンサー電極によって、即ちその静電容量変化によって検出される例もある。
【特許文献１】特開平２−２２３８１７号公報
【特許文献２】特許公開平１０−１７０２７９号公報
【特許文献３】特許公開２０００−１９９７１３号公報
【特許文献４】特許公開２０００−０６５５７９号公報
【特許文献５】特許公開平１１−２８１３６９号公報
【特許文献６】特許公開平１１−１４２１５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、圧電素子を使用する従来例のジャイロセンサは以下のような問題点がある。例えば、圧電素子は温度変化によっその性能が大きく変化する。例えば、電気機械変換効率は温度変化により十数％〜数十％変化する場合がある。よって、圧電素子を用いたジャイロセンサは、温度変化に対して安定して角速度を出力するものではない。又、温度変化によって静止時においても出力がドリフトするという問題点もある。
【０００７】
又、圧電素子によって金属等の振動体を駆動する構成は、駆動用圧電素子自体の高調波による振動が筐体等を介して検出用圧電素子に伝播する。そして、通常これを回避するため様々な支持構造体、又は電子回路が付加される。即ち、組立工程が複雑になるという問題点がある。又、圧電素子を金属体に貼り付ける構成は、圧電素子を長期間に渡り駆動すると圧電素子の伸縮により圧電素子が金属体から部分的に剥離するという問題がある。即ち、長期間使用には適さないという問題点がある。
又、圧電素子は外部振動を敏感に検出する。よって、低速回転の検出は外部振動によるノイズに含まれるため、その検出が困難となる問題がある。
又、圧電素子はその組成、形状、加工精度によって性能が異なる。即ち、個々の製品によってその性能が異なるという問題点がある。
【０００８】
又、マイクロマシニングによって振動型ジャイロセンサを製造する場合は、例えば数ミリ角のシリコン（表面層）を使用するためそのマス部が極めて小となる。例えば、数ｍｇ〜数μｇとなる。即ち、たとえ高周波で駆動してもコリオリ力はマス部の質量にも比例するのでコリオリ力は小となる。従って、低速回転時にはコリオリ力によるマス部の変位も小となり、低速時の角速度は検出が困難となる問題点がある。
【０００９】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、その目的は弾性線と所定の質量を有する磁石で２次元振動子を構成し、その２次元振動子を交番磁界で振動させ、回転時のコリオリ力による磁石の軌道変化を大とし、それにより角速度を高感度に検出することである。
又、軌道変化に伴う検出信号の位相変化をクォーツクロックで計数し、従来より精度よく角速度を検出することである。
【００１０】
又、２次元振動子の弾性線を低熱膨張係数を有する線材とし、温度変化の影響を小とするジャイロ装置を提供することである。又、同時に静止時のドリフトも小とするジャイロ装置を提供することである。
又、２次元振動子の弾性線長さの調節によって共振周波数を調節可能とし、これにより製品毎のばらつきを低減することである。又、弾性線をホルダー溝にセットし所定圧力で押圧することで共振スペクトルを分離し、初動の直線振動を容易とすることである。又、弾性線をホルダー溝にセットする構造とすることで組立を容易とすることである。
更に、２次元振動子をチップコイルで駆動し、磁石の軌道変化をチップコイルで検出可能とすることでジャイロを小型化することである。又、それにより省電力とすることである。
尚、上記目的は、個々の発明が達成する個々の目的であって、個々の発明が全ての目的を達成するものと解釈されるべきではない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に記載のジャイロ装置は、回転時に振動物体に作用するコリオリ力に基づいて角速度を求めるジャイロ装置であって、弾性線とその弾性線先端部に固定された磁石と弾性線後端部を固定するホルダーとからなる２次元振動子と、その磁石を所定方向に微小振動させる為の磁界発生手段と、コリオリ力による磁石の軌道変化を検出する軌道変化検出手段とを備え、軌道変化検出手段の検出する軌道変化関連値により角速度を算出することを特徴とする。
【００１２】
又、請求項２に記載のジャイロ装置は請求項１に記載のジャイロ装置であって、弾性線は恒弾性係数を有する弾性線、又は低熱膨張係数を有する弾性線であることを特徴とする。
又、請求項３に記載のジャイロ装置は請求項１又は請求項２に記載のジャイロ装置であって、２次元振動子の後端部はホルダーによって弾性線の異なる２軸方向の共振周波数が異なるように一方向から所定応力で挟持され、ホルダーによる挟持方向は磁界発生手段による磁界発生方向、又は軌道変化検出手段の検出方向と一致する事を特徴とする。
【００１３】
又、請求項４に記載のジャイロ装置は請求項３に記載のジャイロ装置であって、ホルダーはホルダー受けとホルダー押さえとで構成され、弾性線後端部はそのホルダー受け上面に所定深さに形成された溝に弾性線の側面がその溝から側出するように配設され、所定応力はそのホルダー受けとホルダー押さえによって押圧挟持されることによって決定されることを特徴とする。
又、請求項５に記載のジャイロ装置は請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のジャイロ装置であって、磁界発生手段は微小フェライトあるいは微小電磁軟鉄をコアとしそのコアに導線が巻かれたチップコイルとからなることを特徴とする。
【００１４】
又、請求項６に記載のジャイロ装置は請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のジャイロ装置であって、軌道変化検出手段は回転による磁石の楕円振動の短軸方向の変位を光学的に検出する光学的変位検出手段、又は磁気的に検出する磁気的変位検出手段であることを特徴とする。
又、請求項７に記載のジャイロ装置は請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載のジャイロ装置であって、軌道変化関連値は軌道変化検出手段による検出信号の振幅変化であることを特徴とする。
【００１５】
又、請求項８に記載のジャイロ装置は請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載のジャイロ装置であって、軌道変化関連値は軌道変化検出手段による検出信号の位相変化であることを特徴とする。
又、請求項９に記載のジャイロ装置は請求項８に記載のジャイロ装置であって、位相変化は磁界発生手段を駆動する駆動信号と、軌道変化検出手段によって検出される検出信号との位相差を、所定時間毎に高周波クロックで計数することで得られることを特徴とする。
又、請求項１０に記載のジャイロ装置は請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載のジャイロ装置であって、２次元振動子と磁界発生手段と軌道変化検出手段は、外部磁場を回避するため防磁筐体内に設置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に記載のジャイロ装置は、回転時に振動物体に作用するコリオリ力に基づいて角速度を求めるジャイロ装置であって、弾性線とその弾性線先端部に固定された磁石と弾性線後端部を固定するホルダーとからなる２次元振動子と、その磁石を所定方向に微小振動させる為の磁界発生手段と、コリオリ力による磁石の軌道変化を検出する軌道変化検出手段とを備え、軌道変化検出手段の検出する軌道変化関連値により角速度を算出している。本発明のジャイロ装置は、回転時に振動物体、移動物体に作用するコリオリ力に基づいて角速度を検出する所謂レートジャイロである。
【００１７】
先ず、弾性線を用意し、その弾性線先端部に磁石を固定する。そして、弾性線後端部をホルダーで固定して２方向に微小振動可能な２次元振動子を形成する。２次元振動子とは、弾性線の軸方向をｚ軸とする時、そのｚ軸に垂直なｘｙ平面で振動可能な振動子の意味である。そして、例えば磁石周辺にその磁石を所定方向に微小振動させる磁界発生手段を備える。磁界発生手段とは例えば微小コイルであり、例えば２次元振動子の固有振動数に一致する交番磁界を発生させる。これにより、２次元振動子は所定方向（交番磁界の方向）に直線振動、又は楕円振動する。この状態で、ジャイロ装置がｚ軸中心に回転すると、磁石には角速度と振動速度の外積と磁石の質量に比例したコリオリ力が作用する。これにより、磁石は進行方向の右側又は左側に変位し、その結果その軌道が変化する。
【００１８】
交番磁界により当初、磁石が直線振動している場合は楕円振動に変化する。即ち、直線軌道から楕円軌道に変化する。又、当初磁石が楕円振動している場合は、その楕円率が変化する。即ち、磁石の軌道が変化する。本発明では、この軌道変化に関連する軌道変化関連値を軌道変化検出手段によって検出する。軌道変化関連値とは角速度に相関のある値であり、例えば楕円軌道の短軸長変化、楕円率変化、楕円周囲長変化、楕円面積変化等、軌道変化に関連する全ての関連値である。例えば、軌道変化検出手段を微小コイルで構成すれば、電磁誘導により容易に楕円軌道の短軸長変化を電圧変化で検出することができる。即ち、容易に角速度を検出することができる。
【００１９】
従来のジャイロ装置は、セラミックである圧電素子、又はシリコンを用いている。よって、衝撃等でそれらが破損する場合がある。本発明によれば、金属で代表される弾性線を用いて微小振動する２次元振動子を利用している。よって、衝撃等に頑強なジャイロ装置とすることができる。又、マイクロマシニング技術によるジャイロ装置と比較すれば、本発明においてはコリオリ力を感知する質量を磁石の質量としている。よって、従来のシリコンジャイロ装置よりそれをより大きくとることができる。即ち、より高感度に角速度を検出することができる。
【００２０】
又、請求項２に記載のジャイロ装置は請求項１に記載のジャイロ装置であって、弾性線を恒弾性係数を有する弾性線、又は低熱膨張係数を有する弾性線としている。恒弾性係数を有する弾性線は例えばエリンバ合金である。低熱膨張係数を有する弾性線は、例えばインバー合金である。両弾性線は、その弾性係数の温度依存性が小である。即ち、温度変化に対する弾性係数変化が小であるので、弾性係数変化による共振周波数変化が抑えられる。よって、本発明のジャイロ装置によれば、温度変化に対しても安定して角速度を検出することができる。
【００２１】
又、請求項３に記載のジャイロ装置は請求項１又は請求項２に記載のジャイロ装置であって、２次元振動子の後端部はホルダーによって弾性線の異なる２軸方向の共振周波数が異なるように一方向から所定応力で挟持され、ホルダーの挟持方向は磁界発生手段による磁界発生方向、又は軌道変化検出手段の検出方向と一致されている。
【００２２】
弾性線の異なる２軸方向とは、弾性線の軸方向をｚ軸とする時、そのｚ軸に垂直なｘ軸方向及びｙ軸である。弾性線後端部は、例えばｙ軸方向に所定の応力を受けた状態で挟持されている。よって、その箇所の弾性線断面は微視的には楕円形に変形される。その変形した断面の形状効果、又は内部応力効果により、弾性線の弾性係数は応力方向（ｙ軸方向）とその直角方向（ｘ軸方向）によって異なる。また、弾性係数はその系の固有振動数に関わるので、その固有振動数もその方向によって異なる。すなわち、ｘ軸方向とｙ軸方向によって共振モードがスペクトル上分離される。従って、磁界発生手段により発生される磁界とその応力方向が一致すると、クロストークがなく安定して応力方向に共振を起こすことができる。例えば、磁界発生手段よって交番磁界をｘ軸方向に発生させれば２次元振動子をｘ軸方向に安定して直線振動させることができる。そして、回転時には軌道がｙ軸方向に変化する。即ち、安定してコリオリ力による軌道変化を検出することができる。尚、磁界発生手段により発生される磁界とホルダーによる応力方向は直交させてもよい。この場合は、軌道変化検出手段の検出方向とホルダーの応力方向が一致することになる。即ち、ｘ軸方向とｙ軸方向を入れ替えてもよい。このようにしても同等の効果が得られる。
【００２３】
又、請求項４に記載のジャイロ装置は請求項３に記載のジャイロ装置であって、ホルダーはホルダー受けとホルダー押さえとで構成され、弾性線後端部はそのホルダー受け上面に所定深さに形成された溝に弾性線の側面がその溝から側出するように配設され、所定応力はそのホルダー受けとホルダー押さえによって押圧挟持されることによって決定されている。この構成は、弾性線後端部がそのホルダー受けとホルダー押さえとによって押圧挟持される構成である。これにより弾性線後端部は、ホルダー受け上面に設けられた溝深さと弾性線の線径に応じた所定の応力で固定される。従って、組立時にホルダー受けとホルダー押さえとによって弾性線後端部を押圧挟持する作業のみで、一定した所定応力を与えることができる。共振スペクトルの分離幅はこの応力によって決定されるので、製品毎のバラツキが低減される。よって、容易に特性の安定したジャイロ装置を提供することができる。
【００２４】
又、請求項５に記載のジャイロ装置は請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のジャイロ装置であって、磁界発生手段は微小フェライトあるいは微小電磁軟鉄をコアとしそのコアに導線が巻かれたチップコイルで形成されている。これらのチップコイルに交番電流を供給するとチップコイル両端から交番磁界が発生する。よって、容易に磁石に交番するトルクを与えることができる。よって、容易に請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のジャイロ装置を実現することができる。又、チップコイルは、数ミリ角である。よって、省スペースとなり、ジャイロ装置を小型化することができる。
【００２５】
又、請求項６に記載のジャイロ装置は請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のジャイロ装置であって、軌道変化検出手段は回転による磁石の楕円振動の短軸方向の変位を光学的に検出する光学的変位検出手段、又は磁気的に検出する磁気的変位検出手段から形成されている。軌道変化検出手段は、当初（無回転時）の直線振動と直角方向に設置される。よって、例えば投光部、受光部からなる近接センサ等の光学的変位検出手段を備えれば、容易に回転に伴う短軸方向の変位を検出することができる。光学的変位検出手段を用いれば、電磁ノイズの影響が回避されるので角速度を高精度に検出することができる。尚、軌道変化検出手段は微小コイル等の磁気的変位検出手段としてもよい。微小コイル近傍を磁石が通過すれば、電磁誘導により微小コイルの端子には電圧が発生する。特に、短軸方向に微小コイルを設置すれば、効率的に短軸方向の変位を検出することができる。
【００２６】
又、請求項７に記載のジャイロ装置は請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載のジャイロ装置であって、軌道変化関連値としては軌道変化検出手段による検出信号の振幅変化を用いている。コリオリ力とは運動している物体が回転せられた場合に働く見かけの力であり以下のように表される。
ｆｃ＝２ｍＶ×ω                                  ・・・・・（１）
ｆｃ：コリオリ力
ｍ：質量
Ｖ：速度ベクトル
ω：角速度ベクトル
（１）式からわかるように、コリオリ力ｆｃは、質量ｍの物体が速度Ｖで運動しているときに角速度ωが生じた場合、運動している方向と角速度ωの回転軸の方向とに垂直で大きさは質量ｍ、速度Ｖ、角速度ωに比例して発生する。本発明では、２次元振動子が往復運動するので、軌道変化検出手段はその運動をサイン波信号で検出する。即ち、角速度が大である時はコリオリ力による質量（磁石）の変位も大となるので、軌道変化検出手段による検出信号の振幅も大となる。逆に、角速度が小である時は検出信号の振幅も小となる。よって、軌道変化関連値を検出信号の信号振幅とすれば、その時の加速度の大きさを容易に推定することができる。
【００２７】
又、請求項８に記載のジャイロ装置は請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載のジャイロ装置であって、軌道変化関連値としては軌道変化検出手段による検出信号の位相変化を用いている。直線振動している２次元振動子に回転が作用すると、２次元振動子の軌道は直線振動から楕円振動に変化する。この時、軌道変化により基準信号（駆動信号）に対する検出信号の位相も変化する。例えば、右回転時は位相が遅れ、左回転時には位相が進む。よって、この位相変化を軌道変化関連値とすれば、位相変化の大きさにより角速度の大きさが容易に推定される。更に、位相の増減の方向により容易に回転方向も判別することができる。即ち、角速度をベクトル量で検出することができる。
【００２８】
又、請求項９に記載のジャイロ装置は請求項８に記載のジャイロ装置であって、位相変化は磁界発生手段を駆動する駆動信号と、軌道変化検出手段によって検出される前記検出信号との位相差を、所定時間毎に高周波クロックで計数することで得ている。駆動信号と検出信号の位相差を、所定時間毎に例えばクォーツクロック等の高周波クロックで計数しその変化を算出すれば、角速度を高精度に測定することができる。よって、高精度ジャイロ装置を実現することができる。
【００２９】
又、請求項１０に記載のジャイロ装置は請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載のジャイロ装置であって、２次元振動子と磁界発生手段と軌道変化検出手段は、外部磁場を回避するため防磁筐体内に設置されている。２次元振動子は先端に磁石を搭載しているので、外部磁場（外乱磁場）の影響を受ける。又、磁界発生手段も外部磁場の影響を受ける。更に、軌道変化検出手段を磁気的変位検出手段とした場合も同様である。よって、２次元振動子と磁界発生手段と軌道変化検出手段をフェライト等で密閉された防磁筐体内に設置する。このようにすれば、外部磁場の影響が低減され、より精度よく角速度を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図７に基づいて説明する。
【実施例】
【００３１】
図１に本発明のジャイロ装置を示す。図は、構成図である。本発明のジャイロ装置は弾性線５、弾性線５の先端部に固定された磁石６、弾性線５の後端部を固定するホルダー受け２、及びホルダー押さえ３とからなる２次元振動子１０と、磁石６周辺に備えられその磁石６を所定方向に微小振動させる磁界発生手段である駆動用チップコイル７、及びコリオリ力による磁石６の軌道変化を検出する軌道変化検出手段である検出用チップコイル８とから構成される。尚、駆動用チップコイル７、及び検出用チップコイル８はチップコイルホルダー９に固着され、チップコイルホルダー９は基板１に固定されている。又、２次元振動子１０はホルダー受け２、及びホルダー押さえ３とからなるホルダーによって基板１に設置されている。本実施例のジャイロ装置は、重さ約６ｇであり軽量化が求められる航空機、人工衛星等の移動機器に好適である。
【００３２】
上記構成において、弾性線５の後端部はホルダー受け２の側面に設けられた溝に側出するように配設されホルダー押さえ３に挟持されている。そして、ネジ４によって所定の応力が付加されて固定されている。この時、その箇所の弾性線５の断面は微視的には応力によって楕円形に変形される。この変形効果により、弾性線５の弾性係数は応力方向（図ではｙ軸方向）とその直角方向（ｘ軸方向）によって異なる。弾性係数はその機械系の固有振動数に関わるので、固有振動数もその方向によって異なる。すなわち、ホルダー受け２とホルダー押さえ３によって所定応力を付加するだけで容易に、図２に示すように共振モードをスペクトル上分離することができる。これは、我々が特許第２８９２６４１号に開示の投影装置に示した知見である。図１に示す構成において、駆動用チップコイル７の端子に図２の矢印で示す所定周波数（例えばｆｘ＝１３７Ｈｚ）で数ｍＡ〜十数ｍＡを流すと、チップコイル７からは所定周波数の交番磁界が発生し、２次元振動子１０が共振する。この時、ｙ軸方向スペクトル成分とはほとんどクロストークがないので、２次元振動子１０のｙ軸方向への変位がなくｘ軸方向にのみ安定して直線振動する。よって、無回転時（角速度＝０時）の安定性が保証される。又、本実施例では弾性線５に恒弾性係数を有するエリンバ合金を使用している。よって、温度変化に対しても共振周波数がほとんど変化しない。よって、本実施例の２次元振動子１０は温度変化に対しても安定して直線振動することになる。尚、弾性線５にはエリンバ合金のみならずインバー合金も使用可能である。インバー合金も略恒弾性特性を有する。よって、エリンバ合金とほぼ同等の効果がある。
【００３３】
この状態において、弾性線軸方向、即ちｚ軸方向を中心軸として角速度ωで２次元振動子１０が回転すると、式（１）により磁石６にコリオリ力ｆｃ（＝２ｍＶω）が作用し、磁石６はｙ軸方向に変位する。即ち、磁石６の軌道が変化する。その結果、図３に示すように角速度ω＝０時の直線振動（図３（ａ））が左回り楕円振動（図３（ｂ））、又は右回り楕円振動（図３（ｃ））に変化する。即ち、本実施例のジャイロ装置が搭載された機器が回転すると、例えば角速度ベクトルが紙面を下から上に貫く方向であると、その角速度ωＬの大きさに応じて例えば楕円率が変化した左回り楕円振動（図３（ｂ））となる。又、逆に角速度ベクトルが紙面を上から下に貫く方向であると、その角速度ωＲの大きさに応じて例えば楕円率が変化した右回り楕円振動（図３（ｃ））となる。
【００３４】
この時、角速度は様々な軌道変化関連値で捉えることができる。軌道変化関連値とは、例えば軌道が変化する時の位相変化（後述する）、楕円軌道の短軸長変化、楕円率変化、楕円周囲長変化、楕円面積変化等である。本実施例では、高精度検出を可能とするため位相変化を取り上げる。２次元振動子１０が直線振動から楕円振動への軌道変化する時は、２次元振動子１０の駆動信号（リファレンス信号）に対する検出信号の位相が変化する。これは、軌道が変化することにより検出用チップコイル８への磁石６の接近タイミングが変化するためである。即ち、図４に示すように磁石６を駆動する駆動用チップコイル７に与える信号をリファレンス信号とする時、本実施例のジャイロ装置を右回転させると、検出信号はリファレンス信号（ａ）に対して位相が増大する（位相が遅れる）ように変位する（検出信号（ｂ））。即ち、位相差φ０から位相差φＲに変化する。この場合、（φＲ−φ０）が角速度ωＲに比例する。逆に、ジャイロ装置を左回転させると検出信号はリファレンス信号（ａ）に対して位相差が減少する（位相が進む）ように変位する（検出信号（ｄ））。即ち、位相差φ０から位相差φＬに変化する。この場合は、（φ０−φＬ）が角速度ωＬに比例する。
【００３５】
本実施例では、計測精度を向上させるためこの位相変化をクォーツクロックで計数する。本実施例の位相変化検出回路を図５に示す。図はブロック図である。本実施例の位相変化検出回路は、クォーツクロック２１、ＡＮＤ回路２２、カウンタ回路２３、及びワンチップマイコン２４から構成される。これは、検出信号とリファレンス信号の位相変化をクォーツクロック２１とカウンタ回路２３によって高感度に計数する構成である。例えば、リファレンス信号、検出信号とも約１３７Ｈｚとし、クォーツクロックを１６ＭＨｚとすれば、位相は１１万分割される。即ち、角速度ωは高感度に計数される。
【００３６】
図６に本実施例のジャイロ装置のフローチャートを示す。本実施例の位相測定は、図示しないコンパレータでデジタル化した検出信号の立ち上がりをトリガとするインタラプトプログラムであり、例えば約７．３ｍｓｅｃ毎に測定される。尚、無回転時の位相φ０は通常のプログラムにおいて、予め測定し記憶するものとする。先ず、ステップｓ１０において、現時点での位相φを読み込む。次に、ステップｓ１２に移行し位相変化φＤ＝φ−φ０を計算する。次に、ステップｓ１４においてφＤ＞０か否かを判定する。φＤ＞０であれば、即ちｙｅｓであれば方向フラグを１にしてステップｓ２０に移行する。方向フラグ１は、例えば左回転である。逆に、φＤ＜０であればステップｓ１８に移行しφＤ＝−φＤとして角速度を正の値にし、方向フラグを０とする。方向フラグ０は、例えば右回転である。そしてステップｓ２０に移行し、キャリブレーション定数ｋＣを乗算して、角速度ωＣを算出する。最後にステップｓ２２に移行し、方向フラグと角速度ωＣを出力する。
【００３７】
図７に本実施例のジャイロ装置の出力結果を示す。これは、回転テーブルに本実施例のジャイロ装置をｚ軸を上にして固定し、回転テーブルを左方向に１０°／ｓｅｃの角速度で回転させた場合の出力結果（位相変化図）である。縦軸が位相値、横軸が時間に相当するデータ数である。図７において、ａ部は静止状態を示し、ｂ部が角速度１０°／ｓｅｃで左回転させた場合の位相変化を示す。尚、位相値は約５８４００がπ／２に相当する。即ち、この時の感度（分解能）は、１カウント当たり約０．００２°／ｓｅｃであると評価される。
【００３８】
（変形例）
本発明は、他にも様々な形態で実施することができる。例えば、上記実施例ではチップコイルはフェライトをコアとしてその外周に導線を捲回したものを想定したが、このコアは特にフェライトでなくともよい。例えば、微小電磁軟鉄でもよい。又、巻き数が多ければ空芯でもよい。
【００３９】
又、上記実施例では磁界発生手段（チップコイル７）により発生される磁界と、ホルダー受け２とホルダー押さえ３とによる応力方向は直交していたが、これを平行としてもよい。この場合は逆に、軌道変化検出手段（チップコイル８）の検出方向とホルダー受け２とホルダー押さえ３による応力方向が直交することになる。このような配置としてもよい。同等な効果が得られる。
【００４０】
又、上記実施例では角速度を検出信号の位相変化で捉えたが、これはデジタル変換する前の検出信号（サインカーブ）の振幅変化で捉えることもできる。なぜなら弾性線５は撓みバネと考えられ、図３におけるコリオリ力ｆｃによるｙ軸方向の変位量ΔｙにはΔｙ＝ｆｃ／ｋ（ｋ：バネ定数）の関係が成立する。即ち、変位量Δｙ＝２Ｖｍω／ｋ関係が成立する。ここで、変位量Δｙは楕円振動（図３（ｂ））の短軸（ｙ軸）方向への変位を意味する。これは、検出信号においてはデジタル変換する前のサインカーブの振幅変化で検出される。従って、この変位量Δｙ、即ち振幅変化を軌道変化関連値としてｙ軸方向に付与した検出用チップコイル８で検出すれば、角速度ωを検出することができる。このようにしてもよい。
勿論、変位量Δｙは磁気的変位検出手段である検出用チップコイル８に代えて、光学的に２次元振動子１０の近接を検出する光学的変位検出手段である近接センサを用いることもできる。近接センサは例えばペア線の光ファイバからなり一方の光ファイバから投光し他方の光ファイバで受光する構成である。近接量が大となれば受光量が増大し、近接量が小となれば受光量も小となる。これを光電変換すれば２次元振動子１０の軌道変化はサインカーブ（電圧）で得られる。このサインカーブの振幅値から角速度ωを換算してもよい。同等の結果が得られる。
【００４１】
又、上記実施例では２次元振動子１０を例えばアルミ製のチップコイルホルダー９で囲う構成とした。この場合、磁石６及び駆動用チップコイル７、検出用チップコイル８は外部磁場の影響を受ける場合がある。この様な場合は、図示はしないがジャイロ装置全体をフェライト等で密閉された防磁筐体内に設置する。このようにすれば、外部磁場の影響が低減され安定して角速度を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施例に係るジャイロ装置の構造図。
【図２】本発明のジャイロ装置に係る２次元振動子の共振スペクトル図。
【図３】本発明のジャイロ装置に係る２次元振動子の振動状態変化図。
【図４】本発明のジャイロ装置に係る検出信号とリファレンス信号の位相変化図。
【図５】本発明のジャイロ装置に係る位相差検出回路図。
【図６】本発明の実施例のジャイロ装置の動作を示すフローチャート。
【図７】本発明の実施例に係るジャイロ装置による角速度検出結果図。
【図８】従来のジャイロ装置の機械的構造図。
【図９】従来のジャイロ装置に係る電装部を含めた構成図。
【符号の説明】
【００４３】
１…基板
２…ホルダー受け
３…ホルダー押さえ
５…弾性線
６…磁石
７…駆動用チップコイル
８…検出用チップコイル
９…チップコイルホルダー
１０…２次元振動子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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